LiDAR Scanner: complete gids (werking en types)

Deze gids legt in duidelijke taal uit wat een LiDAR scanner is, de natuurkunde die hem laat werken, de vier grote families op de markt, hoe Apple's LiDAR-sensor voor consumenten zich verhoudt tot een professionele scanner, en wat u concreet met de uitgaande puntenwolken doet.

Wat is een LiDAR scanner, technisch gezien

LiDAR is een technologie voor teledetectie. De NOAA rangschikt het als een "actieve" sensor, in tegenstelling tot een passieve sensor zoals een klassiek fototoestel: een actieve sensor produceert zijn eigen signaal (hier een laserpuls) in plaats van afhankelijk te zijn van het zonlicht. Het instrument zendt een lichtpuls uit, de puls kaatst terug van een oppervlak, de ontvanger registreert de terugkaatsing.

Omdat licht zich met een bekende snelheid verplaatst, geeft de heen-en-terugtijd de afstand tussen de sensor en het oppervlak. Herhaal die meting honderdduizenden keren per seconde, terwijl een gemotoriseerde spiegel de laser over de scène laat zwenken, en elke meting wordt een punt (X, Y, Z) in de ruimte. Stapel de punten en u krijgt een puntenwolk: de ruwe 3D-registratie van een gebouw, een groeve, een stadsblok of een vaas.

De scanner weet niet wat een muur of een boom is. Hij weet alleen dat een punt zich op de coördinaten (X, Y, Z) bevindt en dat het oppervlak daar de laser met een bepaalde intensiteit heeft teruggekaatst. Wilt u de onderliggende datastructuur, dan behandelden we die in detail in Wat is een puntenwolk: elk punt draagt XYZ-coördinaten, vaak een kleur (wanneer de scanner een camera heeft), vaak een intensiteitswaarde, en bij outdoor-LiDAR vaak een classificatie (grond, vegetatie, gebouw).

Hoe een LiDAR scanner werkt, stap voor stap

Achter de eenvoudige time-of-flightformule omvat de werkelijke scanpijplijn zeven gecoördineerde fasen, van de laserdiode die de puls uitzendt tot het bestandsformaat waarin de puntenwolk wordt opgeslagen.

1. Emissie. Een laserdiode produceert een korte lichtpuls, meestal in de nabij-infraroodband. Volgens Wikipedia zijn golflengten van 600 tot 1.000 nm het meest gangbaar voor niet-wetenschappelijke toepassingen. Batymetrische systemen (die in het water doordringen) gebruiken een groene laser van 532 nm.
2. Sturing. Een roterende of oscillerende spiegel, of een exotischer optisch geheel (Risley-prisma's op sommige luchteenheden), stuurt de puls over de scène. Dat is wat de scanner laat "scannen" in plaats van slechts één punt te meten.
3. Reflectie. De puls raakt een oppervlak en een fractie van het licht kaatst terug naar de sensor.
4. Detectie. Een fotodetector registreert de terugkaatsing en een klok meet de heen-en-terugtijd t.
5. Afstandsberekening. Het instrument berekent d = c * t / 2. Moderne scanners doen deze berekening in real time, honderdduizenden keren per seconde.
6. Georeferentie. Op mobiele en luchteenheden registreren GPS/GNSS plus een traagheidsmeeteenheid (IMU) de positie en oriëntatie van de scanner bij elke meting, zodat de ruwe afstand kan worden omgezet in een absoluut XYZ-punt in een echt coördinatenstelsel.
7. Output. Het eindproduct is een puntenwolk, in een formaat zoals E57, LAS, LAZ of een fabrikantseigen formaat (RCS / RCP van Autodesk Recap, LGSx van Leica Hexagon).

Time-of-flight vs faseverschuiving

Er bestaan twee natuurkundige methoden om een laserpuls in een afstand om te zetten. Time-of-flight meet de absolute tijd die de puls nodig heeft om terug te keren. Faseverschuiving zendt een laser uit waarvan de intensiteit als een sinusgolf wordt gemoduleerd, en meet hoeveel de teruggekeerde golf in fase is verschoven ten opzichte van de uitgezonden golf.

De vier grote families van LiDAR scanners

Wikipedia ordent de LiDAR-systemen volgens het platform dat ze draagt. Dezelfde indeling wordt gebruikt in de AEC-sector en bij de landmeters. Elke familie maakt een andere afweging tussen nauwkeurigheid, snelheid en dekking.

1. Terrestrisch statisch (TLS)

Een op statief gemonteerde scanner die u neerzet, waterpas stelt en 360 graden laat ronddraaien om een station vast te leggen. Vervolgens verplaatst u het statief, legt u een ander station vast en voegt u de stations in de nabewerking samen. Het is het werkpaard van de AEC-sector en van de landmeters omdat het de beste nauwkeurigheid biedt (Wikipedia merkt op dat een verticale nauwkeurigheid onder 50 mm haalbaar is in landmeetconfiguraties).

• Typische merken: FARO, Leica (Hexagon-ecosysteem), Riegl, Trimble.
• Workflow: station op statief, waterpas stellen, zwenking van 360 graden, verplaatsen, herhalen, stations samenvoegen in de nabewerking.
• Sterkte: de beste nauwkeurigheid van alle LiDAR-families, certificeerbaar voor as-builtdocumentatie.
• Beperking: elk merk heeft zijn eigen native bestandsformaat, wat multivendor-workflows lastig maakt zonder een platform dat ze native verwerkt.

2. Terrestrisch mobiel

De scanner is gemonteerd op een platform dat zich verplaatst: een rugzak, een trolley, een auto, een autonome robot. SLAM-algoritmen (gelijktijdige lokalisatie en mapping) laten het systeem in real time weten waar het zich bevindt, zonder dat statiefstations nodig zijn. U ruilt wat nauwkeurigheid in voor veel snelheid en dekking: een SLAM-rugzak scant een gebouw in een uur waar een statische scanner een dag nodig zou hebben. Merken die u tegenkomt: NavVis, Viametris, en opnieuw FARO en Leica, die beide mobiele lijnen hebben.

3. LiDAR vanuit de lucht

De scanner is gemonteerd op een vliegtuig, een helikopter of, steeds vaker, een drone. De NOAA legt uit dat luchtgebaseerde LiDAR een laser naar de grond schiet, het oppervlak de bundel terugkaatst, en de combinatie van GPS en de traagheidsmeeteenheid aan boord de metingen omzet in een topografische puntenwolk.

• Digitale terreinmodellen (DTM / DSM) over grote oppervlakten.
• Bosinventarisaties en biomassaschatting onder bladerdek.
• Archeologische opnames (LiDAR onthulde onder meer Mayasteden onder het oerwoud).
• Lijnvormige mapping voor hoogspanningslijnen, wegen en spoorwegen.
• UAV-LiDAR voor opnames van middelgrote oppervlakten wanneer een bemand vliegtuig overdreven is maar een statief te traag.

4. Batymetrische LiDAR

Een gespecialiseerde luchtvariant die een groene laser van 532 nm gebruikt in plaats van nabij-infrarood, omdat groen licht in het water doordringt. De NOAA beschrijft het als de technologie die wordt gebruikt om zeebodems en rivierbeddingen in kaart te brengen. Wikipedia merkt op dat batymetrische LiDAR werkt tussen ongeveer 0,9 m en 40 m diepte, met een verticale nauwkeurigheid in de orde van 15 cm. Het is de enige LiDAR-familie die de grens lucht-water overschrijdt; standaard topografische LiDAR wordt volledig teruggekaatst door het wateroppervlak en is blind eronder.

En de LiDAR in uw iPhone Pro?

Apple bracht een LiDAR-sensor uit op de iPad Pro 4e generatie in maart 2020, daarna op de iPhone 12 Pro in oktober 2020, en op elke iPad Pro en iPhone Pro sindsdien. Volgens de Apple-documentatie samengevat op Wikipedia zijn de opgegeven toepassingen augmented reality en autofocusondersteuning bij foto's, niet professionele landmeting.

Concreet is de LiDAR van de iPhone Pro nuttig om snel een kamer, een object of een kleine scène vast te leggen met apps zoals Polycam, Scaniverse of 3D Scanner App. De puntenwolken die hij produceert kunnen een goed vertrekpunt zijn voor een offerte, een schets, een 3D-print, een architectuurvoorbeeld. Ze vervangen geen gecertificeerde scanner wanneer u een gecertificeerde millimeternauwkeurigheid nodig heeft. Beschouw de LiDAR van de smartphone als een alledaags hulpmiddel, en de TLS van FARO of Leica als een professioneel meetinstrument.

LiDAR vs fotogrammetrie vs radar

LiDAR is niet de enige manier om een 3D-puntenwolk te produceren. Fotogrammetrie trianguleert 3D-punten op basis van talrijke overlappende foto's. Radar gebruikt radiogolven in plaats van licht. Elke technologie heeft haar voorkeursterrein.

In de praktijk combineren veel professionele projecten LiDAR en fotogrammetrie: drone-fotogrammetrie voor het hele terrein in kleur, terrestrische LiDAR voor de gebouwen of de zones die een gecertificeerde nauwkeurigheid vereisen.

Wat professionals met LiDAR-data doen

Zodra u een schone puntenwolk heeft, heeft elk vakgebied zijn eigen extractieworkflow. Dit zijn de meest voorkomende professionele toepassingen, met interne links wanneer ATIS.cloud de workflow al documenteert.

• Landmeters: plannen van het bestaande, voorraad- en grondwerkvolumes, digitale terreinmodellen (DTM) en digitale oppervlaktemodellen (DSM).
• AEC en BIM: een bestaand gebouw scannen, scan vs BIM vergelijken (genoemd "as-built"), scan-to-BIM-workflows voeden. Zie ook onze gids wat is een puntenwolk.
• Industrie: een installatie documenteren, een structurele vervorming tussen twee scans opvolgen, aanpassingen plannen, operators opleiden in VR of in een digital twin.
• Erfgoed en archeologie: een monument archiveren met millimeternauwkeurigheid, een restauratie plannen, digitale museumcontent maken. Luchtgebaseerde LiDAR staat bekend om het blootleggen van archeologische sites verborgen onder de vegetatie.
• Infrastructuur: inspectie van kunstwerken, wegdekanalyse, controle van het spoorprofiel, tunnelbewaking.
• Bos en landbouw: schatting van bosbiomassa met luchtgebaseerde LiDAR, plantentelling, terreinanalyse onder bladerdek.
• Automotive: LiDAR is een van de sensoren die in autonome of semi-autonome rijsystemen worden gebruikt, naast camera's en radar.

De bestanden die een LiDAR scanner produceert

Een LiDAR scanner genereert een puntenwolk, en het bestandsformaat hangt af van het merk van de scanner en van de software stroomafwaarts.

• E57: open ASTM-standaard (E2807), het dominante uitwisselingsformaat, ondersteund door vrijwel elke scanner en 3D-applicatie.
• LAS / LAZ: open ASPRS-standaarden. LAZ is een gecomprimeerde LAS. Referentieformaten voor outdoor- en luchtgebaseerde LiDAR.
• RCS / RCP: native Autodesk Recap-formaten, veel gebruikt in de AEC-sector.
• LGSx: fabrikantseigen formaat van Leica Hexagon.
• Legacy: PLY, OBJ, PCD, PTS, XYZ nog steeds aanwezig in onderzoek of in legacyworkflows.

ATIS.cloud leest E57, LAS, LAZ, RCS, RCP en LGSx op alle plannen. De ondersteuning voor RCS en RCP is native, zonder vereiste Autodesk-licentie, wat ongebruikelijk is op de markt. We behandelden het Leica-formaat in detail in onze speciale LGSx-gids.

Een LiDAR-scan bekijken en delen

Zodra de scanner zijn bestand heeft weggeschreven, zijn de twee praktische vragen: hoe groot is het, en wie moet het zien. Een kleine E57 van één enkele kamer past op een USB-stick. Een LiDAR-opname met drone van een groeve kan honderden GB bereiken. Een hele industriële fabriek, station per station vastgelegd, kan de terabytegrens overschrijden.

Voor desktopwerk op kleine of middelgrote bestanden zijn CloudCompare (open source) en Autodesk Recap (commercieel) de gebruikelijke verdachten. Voor grote bestanden of extern delen opent de klant een link, bekijkt de scan, meet, becommentarieert en stuurt u een geannoteerde schermafbeelding terug. Geen overdracht van 4 GB via WeTransfer, geen mail met "u moet eerst deze software installeren".

ATIS.cloud is het platform dat wij precies voor dit gebruiksscenario bouwen: een 3D-applicatie in de browser die scans tot 1 TB per bestand verwerkt (5 TB totale werkruimte), alle scannermerken op de markt native leest (FARO, Leica, NavVis, Riegl, Trimble, Viametris, Matterport, enz.), de formaten E57, LAS, LAZ, RCS, RCP en LGSx ondersteunt, met beveiligd delen via link, soevereine hosting in 22+ landen, en 14 dagen gratis zonder creditcard.

Een korte geschiedenis van LiDAR

LiDAR is ouder dan de meeste mensen denken. Wikipedia voert het eerste "lidar-like" systeem terug tot Hughes Aircraft Company in 1961, met de Colidar Mark II-afstandsmeter gebouwd in 1963.

• 1961: eerste lidar-like systeem bij Hughes Aircraft Company.
• 1963: Colidar Mark II-afstandsmeter.
• 1971: de astronauten van Apollo 15 gebruiken een laserhoogtemeter om de Maan in kaart te brengen.
• Jaren 1990-2000: luchtgebaseerde LiDAR wordt volwassen voor civiele topografie.
• Jaren 2000: terrestrische laserscanning wordt mainstream in de AEC-sector en bij de landmeters.
• Maart 2020: Apple brengt LiDAR uit op de iPad Pro 4e generatie, daarna op de iPhone 12 Pro in oktober 2020.

Vandaag laat dezelfde natuurkunde zowel een zware luchtopstelling als de sensor in uw telefoon werken.